(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の腿部に装着され、前記使用者の歩行を支援する歩行支援装置であって、
前記使用者の歩行状態を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて算出した、前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの間において断続的に算出された時間である遊脚動作時間と遊脚完了予測時間、又は前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの時間である遊脚完了時間と前記遊脚完了予測時間とに基づいて、前記使用者の歩容が正常か否かを判定する歩容判定手段と、
を備える歩行支援装置。
【請求項２】
前記使用者の上腿部に固定される第１のリンクと、
前記第１のリンクに回転可能に連結され、前記使用者の下腿部に固定される第２のリンクと、
前記第１のリンクに対して相対的に前記第２のリンクを駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
をさらに備え、
前記検出手段は、
前記第１のリンクに対する前記第２のリンクの回転角度を検出する第１の検出手段と、
前記使用者の足裏に作用する荷重を検出する第２の検出手段と、
を備え、
前記歩容判定手段は、
前記第１又は第２の検出手段の検出結果に基づいて前記遊脚完了予測時間を算出する予測時間算出手段と、
前記第１又は第２の検出手段の検出結果に基づいて前記遊脚動作時間又は前記遊脚完了時間を算出する動作時間算出手段と、
前記遊脚完了予測時間と前記遊脚動作時間、又は前記遊脚完了予測時間と前記遊脚完了時間とを比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する状態判定手段と、
を備える請求項１に記載の歩行支援装置。
【請求項３】
前記状態判定手段は、前記遊脚完了時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が、正常に歩行動作が完了したか否かを判定するための閾値より大きく、且つ前記遊脚完了時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が０以下である場合、前記使用者の膝が屈曲した状態で足裏が着地したと判定し、前記制御手段を制御して前記使用者の膝が伸展するように前記駆動手段を動作させる請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
前記状態判定手段は、前記遊脚動作時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記制御手段を制御して、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させる請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項５】
前記状態判定手段は、前記遊脚完了予測時間から前記遊脚完了時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記制御手段を制御して、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させる請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項６】
前記状態判定手段は、前記遊脚完了時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記制御手段を制御して、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させる請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項７】
前記使用者に注意を喚起する注意喚起手段をさらに備え、
前記状態判定手段は、前記遊脚動作時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記使用者に注意を喚起するように前記注意喚起手段を制御する請求項２乃至６のいずれか１項に記載の歩行支援装置。
【請求項８】
前記使用者に注意を喚起する注意喚起手段をさらに備え、
前記状態判定手段は、前記遊脚完了時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が、正常に歩行動作が完了したか否かを判定するための閾値より大きく、且つ前記遊脚完了時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が０より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記使用者に注意を喚起するように前記注意喚起手段を制御する請求項２乃至６のいずれか１項に記載の歩行支援装置。
【請求項９】
前記検出手段の検出結果に基づいて前記使用者に装着されている側の脚部が遊脚か否かを判定する歩行モード判定手段をさらに備える請求項１乃至８のいずれか１項に記載の歩行支援装置。
【請求項１０】
使用者の腿部に装着され、前記使用者の歩行を支援する歩行支援装置の制御方法であって、
以前に取得した前記使用者の歩行状態に基づいて、遊脚完了予測時間を算出する工程と、
歩行中の前記使用者の歩行状態に基づいて、前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの間において断続的に算出された時間である遊脚動作時間、又は前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの時間である遊脚完了時間を算出する工程と、
前記遊脚完了予測時間と前記遊脚動作時間、又は前記遊脚完了予測時間と前記遊脚完了時間とを比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する工程と、
前記使用者の歩容が正常か否かの判定結果に基づいて、前記歩行支援装置の駆動手段を制御する工程と、
を備える歩行支援装置の制御方法。
【請求項１１】
前記遊脚完了時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が、正常に歩行動作が完了したか否かを判定するための閾値より大きく、且つ前記遊脚完了時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が０以下であると、前記使用者の膝が屈曲した状態で足裏が着地したと判定し、前記使用者の膝が伸展するように前記駆動手段を動作させる請求項１０に記載の歩行支援装置の制御方法。
【請求項１２】
前記遊脚動作時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させる請求項１０に記載の歩行支援装置の制御方法。
【請求項１３】
前記遊脚完了予測時間から前記遊脚完了時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させる請求項１０に記載の歩行支援装置の制御方法。
【請求項１４】
前記遊脚完了時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させる請求項１０に記載の歩行支援装置の制御方法。
【請求項１５】
前記遊脚動作時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記使用者に注意を喚起するように注意喚起手段を制御する請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の歩行支援装置の制御方法。
【請求項１６】
前記遊脚完了時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が、正常に歩行動作が完了したか否かを判定するための閾値より大きく、且つ前記遊脚完了時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が０より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記使用者に注意を喚起するように注意喚起手段を制御する請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の歩行支援装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行支援装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、歩行支援装置は、例えば腿部に麻痺症状等の障害が残る患者のリハビリ訓練に用いられ、当該腿部に装着される。腿部の麻痺症状により、患者は腿部の接地状況や膝の曲がり具合などを認知する機能が低下している。
【０００３】
歩行時に積極的に膝の曲げ伸ばしを支援する歩行支援装置は、着地タイミングが早い場合には、膝が曲がった状態で着地することになる。膝が曲がった状態で着地してしまうと、患者（使用者）を支えるだけの十分なトルクを出力できないことで、使用者の体重が歩行支援装置に作用したとき、当該歩行支援装置の関節部が屈曲し、使用者が姿勢を崩す可能性がある。
【０００４】
ところで、特許文献１には、予め用意された多関節ロボットの運動方程式に、一つの特定関節の角度を除いて他の関節角にセンサの検出関節角を代入して特定関節の推定関節角を算出し、特定関節の算出関節角と検出関節角の角度差が予め定められた許容範囲から外れている場合に、特定関節のフィードバック制御が異常であると判定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−７３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術は、多関節ロボットの異常を検出することができるが、使用者の歩容の異常を検出することができない。
【０００７】
本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、使用者の歩容の異常を検出することができる歩行支援装置及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一形態に係る歩行支援装置は、使用者の腿部に装着され、前記使用者の歩行を支援する歩行支援装置であって、前記使用者の歩行状態を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて算出した、遊脚動作時間と遊脚完了予測時間とに基づいて、前記使用者の歩容が正常か否かを判定する歩容判定手段と、を備える。
【０００９】
上記歩行支援装置において、前記使用者の上腿部に固定される第１のリンクと、前記第１のリンクに回転可能に連結され、前記使用者の下腿部に固定される第２のリンクと、前記第１のリンクに対して相対的に前記第２のリンクを駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、をさらに備え、前記検出手段は、前記第１のリンクに対する前記第２のリンクの回転角度を検出する第１の検出手段と、前記使用者の足裏に作用する荷重を検出する第２の検出手段と、を備え、前記歩容判定手段は、前記第１又は第２の検出手段の検出結果に基づいて前記遊脚完了予測時間を算出する予測時間算出手段と、前記第１又は第２の検出手段の検出結果に基づいて遊脚動作時間を算出する動作時間算出手段と、前記遊脚完了予測時間と、前記遊脚動作時間と、を比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する状態判定手段と、を備えること、が好ましい。
【００１０】
上記歩行支援装置において、前記状態判定手段は、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差が０以下であると、前記制御手段を制御して前記使用者の膝が伸展するように前記駆動手段を動作させること、が好ましい。
【００１１】
上記歩行支援装置において、前記状態判定手段は、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記制御手段を制御して、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させること、が好ましい。
【００１２】
上記歩行支援装置において、前記使用者に注意を喚起する注意喚起手段をさらに備え、前記歩容判定手段は、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記使用者に注意を喚起するように前記注意喚起手段を制御すること、が好ましい。
【００１３】
上記歩行支援装置において、前記検出手段の検出結果に基づいて前記使用者に装着されている側の腿部が遊脚か否かを判定する歩行モード判定手段をさらに備えること、が好ましい。
【００１４】
本発明の一形態に係る歩行支援装置の制御方法は、使用者の腿部に装着され、前記使用者の歩行を支援する歩行支援装置の制御方法であって、以前に取得した前記使用者の歩行状態に基づいて、遊脚完了予測時間を算出する工程と、歩行中の前記使用者の歩行状態に基づいて、遊脚動作時間を算出する工程と、前記遊脚完了予測時間と、前記遊脚動作時間と、を比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する工程と、前記使用者の歩容が正常か否かの判定結果に基づいて、前記歩行支援装置の駆動手段を制御する工程と、を備える。
【００１５】
上記歩行支援装置の制御方法において、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差が０以下であると、前記使用者の膝が伸展するように前記駆動手段を動作させること、が好ましい。
【００１６】
上記歩行支援装置の制御方法において、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させること、が好ましい。
【００１７】
上記歩行支援装置の制御方法において、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記使用者に注意を喚起するように注意喚起手段を制御すること、が好ましい。
【００１８】
上記歩行支援装置の制御方法において、前記使用者に装着されている側の腿部が遊脚か否かを判定する工程をさらに備えること、が好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
以上、説明したように、本発明によると、使用者の歩容の異常を検出することができる歩行支援装置及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の使用形態を概略的に示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の使用形態を概略的に示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の使用形態を概略的に示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る歩行支援装置における、制御系の構成ブロック図である。
【図５】歩容判定部の構成ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の制御方法のフローチャート図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の制御方法のフローチャート図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の制御方法のフローチャート図である。
【図９】膝伸展制御のフローチャート図である。
【図１０】（ａ）は駆動モータの指令トルクと駆動軸の回転角速度との関係を示す図である。（ｂ）は駆動モータの指令トルクが印加される様子を示す図である。
【図１１】使用者の膝が固定されない構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００２２】
本実施の形態の歩行支援装置は、図１乃至図３に示すように、例えば使用者の腿部に装着され、使用者の歩行を支援するために好適に用いられる。この歩行支援装置１は、図１乃至図４に示すように、第１のリンク２、第２のリンク３、足裏載置部４、膝装着部５、駆動部６、検出部７、腰装着部８、処理部９、注意喚起部１０を備えている。
【００２３】
第１のリンク２は、使用者の上腿部の側部に配置される。本実施の形態の第１のリンク２は、使用者の上腿部の左右両側部にそれぞれ配置される。第１のリンク２の上端部は、上腿保持部１１の側部に連結されている。第１のリンク２の下端部は、第２のリンク３に回転可能に連結されている。
【００２４】
ここで、上腿保持部１１は、板状部材であって、使用者の上腿部の外周形状に倣うように湾曲した形状とされている。当該湾曲した面の内側面を使用者の上腿部に接触させる。ここで、当該内側面にはスポンジ等の緩衝部材が設けられていることが好ましい。
【００２５】
第２のリンク３は、使用者の下腿部における脛部分の側部に配置される。本実施の形態の第２のリンク３は、使用者の脛部分の左右両側部にそれぞれ配置される。第２のリンク３の上端部は、第１のリンク２の下端部に回転可能に連結されている。第２のリンク３の下端部は、足裏載置部４に回転可能に連結されている。
【００２６】
足裏載置部４は、使用者の足を支持する。本実施の形態の足裏載置部４は、載置部４ａ、アーム４ｂを備えている。載置部４ａは板状部材であって、使用者の足裏が載置される。アーム４ｂは、載置部４ａを第２のリンク３に連結する。つまり、アーム４ｂは使用者の下腿部における足首部分の左右両側部にそれぞれ配置される。
【００２７】
アーム４ｂの上端部は、第２のリンク３の下端部に回転可能に連結されている。アーム４ｂの下端部は、載置部４ａの側部に連結されている。これにより、使用者の体重を歩行支援装置１に支持させることができる。
【００２８】
膝装着部５は、アーチ５ａ、図示を省略したビンディングを備えている。アーチ５ａは、左右の第１のリンク２と第２のリンク３との連結部相互を連結する。ビンディングは、アーチ５ａに設けられている。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定する。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定できる構成であれば特に限定しないが、例えば使用者の膝に着脱可能なバンドを含む。
【００２９】
駆動部６は、第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分に駆動力を伝達する。駆動部６は、駆動モータ６ａ、減速機６ｂを備えている。駆動モータ６ａは、処理部９の制御部９２の制御信号に基づいて駆動する。駆動モータ６ａの駆動力は、減速機６ｂに入力される。
【００３０】
減速機６ｂは、駆動モータ６ａから入力される駆動力を増幅して第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分の回転軸に伝達する。これにより、第２のリンク３が第１のリンク２に対して使用者の前後方向に回転駆動する。
【００３１】
検出部７は、一般的な歩行支援装置で備えられているセンサ類であり、使用者の歩行状態を検出する。本実施の形態の検出部７は、角度検出センサ７ａ、荷重センサ７ｂ、姿勢検出センサ７ｃを備えている。
【００３２】
角度検出センサ７ａは、第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分に設けられている。角度検出センサ７ａは、第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度は、使用者の歩行状態である当該使用者の膝の屈曲角度として扱うことができる。
【００３３】
荷重センサ７ｂは、足裏載置部４の載置部４ａに設けられている。荷重センサ７ｂは、載置部４ａに作用する荷重を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、載置部４ａに作用する荷重は、使用者の歩行状態である当該使用者の足裏に作用する荷重として扱うことができる。
【００３４】
姿勢検出センサ７ｃは、腰装着部８の収納ボックス８ｂ内に収納されている。姿勢検出センサ７ｃは、地面に対する第１のリンク２の角度を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、地面に対する第１のリンク２の回転角度は、地面に対する使用者の上腿部の角度として扱うことができる。
【００３５】
腰装着部８は、ベルト８ａ、収納ボックス８ｂを備えている。ベルト８ａは、使用者の腰に着脱可能な構成とされている。収納ボックス８ｂは、ベルト８ａに設けられている。収納ボックス８ｂには、駆動モータ６ａ等の電源であるバッテリ、姿勢検出センサ７ｃ、及び処理部９等が搭載されている制御基板が格納されている。収納ボックス８ｂに収納されているバッテリ及び制御基板は、角度検出センサ７ａ及び荷重センサ７ｂに配線１２を介して接続されている。
【００３６】
処理部９は、歩行モード判定部９１、制御部９２、歩容判定部９３を備えている。歩行モード判定部９１は、荷重センサ７ｂ、姿勢検出センサ７ｃから入力される検出信号に基づいて、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態かを判定し、歩行モードを指示する指示信号を制御部９２に出力する。
【００３７】
つまり、歩行モード判定部９１は、荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出し、算出結果に基づいて使用者の足裏が着地しているか否かを判定する。
【００３８】
また、歩行モード判定部９１は、姿勢検出センサ７ｃから入力される検出信号に基づいて、地面に対する使用者の上腿部の角度を算出し、算出結果に基づいて使用者の腿部が前方に向いているか、又は後方に向いているかを判定する。
【００３９】
そして、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏が着地しているか否かの判定結果、及び使用者の腿部が前方に向いているか、後方に向いているかの判定結果に基づいて、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態か否かを判定する。
【００４０】
例えば、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第１の閾値以上であって、且つ使用者の腿部が後方に向いていると、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が立脚状態であると判定する。一方、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第１の閾値より小さいと、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が遊脚状態であると判定する。
【００４１】
歩行モード判定部９１は、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では遊脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部６の駆動モータ６ａを立脚モードで制御するように制御部９２に指示信号を出力する。一方、歩行モード判定部９１は、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では立脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部６の駆動モータ６ａを遊脚モードで制御するように制御部９２に指示信号を出力する。
【００４２】
制御部９２は、角度検出センサ７ａや荷重センサ７ｂからの検出信号、歩行モード判定部９１からの指示信号、及び後述するように歩容判定部９３からの遊脚動作が完了した旨の信号に基づいて、駆動部６の駆動モータ６ａを制御する。
【００４３】
つまり、制御部９２は、歩行モード判定部９１から駆動モータ６ａを立脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、歩容判定部９３から遊脚動作が完了した旨の信号が入力されているかを判定し、入力されていると、歩行支援装置１が装着されている側の腿部と逆側の腿部が遊脚状態となった際に、歩行支援装置１で使用者の体重を支持することができるように、駆動モータ６ａを制御する。
【００４４】
一方、制御部９２は、歩行モード判定部９１から駆動モータ６ａを遊脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、少なくとも前回に歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ７ａ、荷重センサ７ｂ及び姿勢検出センサ７ｃから取得した検出信号に基づいて、次回の歩行動作で歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。
【００４５】
つまり、制御部９２は、少なくとも前回に歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ７ａから入力された検出信号に基づいて、使用者の膝の屈曲角度を算出する。
【００４６】
また、制御部９２は、少なくとも前回に歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、荷重センサ７ｂから入力された検出信号に基づいて、使用者の足裏が着地した時間を算出する。
【００４７】
さらに制御部９２は、少なくとも前回に歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、姿勢検出センサ７ｃから入力された検出信号に基づいて、地面に対する使用者の大腿部の角度を算出する。
【００４８】
制御部９２は、これらの情報に基づいて、例えば順運動学を用いて使用者の歩幅を算出し、当該歩幅と使用者の足裏が着地した時間に基づいて使用者の歩行速度を算出する。さらに制御部９２は、算出した歩行速度を実現するための、時間と使用者の膝角度との関係（歩行軌跡）を算出する。制御部９２は、算出した使用者の歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作で歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。つまり、制御部９２は、前回の歩行動作に基づいて算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に倣うように、次回の歩行動作を実現する。
【００４９】
制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等が実現されるように、駆動部６の駆動モータ６ａの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する。その一方で、制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等を歩容判定部９３に出力する。
【００５０】
ここで、制御部９２は、歩容判定部９３の判定結果に基づいても、駆動部６の駆動モータ６ａを制御する。歩容判定部９３は、図５に示すように、予測時間算出部９３ａ、動作時間算出部９３ｂ、状態判定部９３ｃを備えている。
【００５１】
予測時間算出部９３ａは、制御部９２から入力された、予測的に算出された使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、遊脚状態である、歩行支援装置１が装着されている側の腿部の足裏が着地する遊脚完了予想時間を算出する。予測時間算出部９３ａは、算出した遊脚完了予測時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。
【００５２】
動作時間算出部９３ｂは、遊脚動作時間又は遊脚完了時間を算出する。つまり、動作時間算出部９３ｂは、荷重センサ７ｂ及び姿勢検出センサ７ｃの検出信号に基づいて、遊脚状態となる、歩行支援装置１が装着されている側の腿部の足裏が地面から離れ、再び地面に着地するまで、断続的に時間を算出（測定）する。動作時間算出部９３ｂは、算出した遊脚動作時間又は遊脚完了時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。
【００５３】
状態判定部９３ｃは、角度検出センサ７ａ又は荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、歩行動作が完了したか否かを判定したり、予測時間算出部９３ａ及び動作時間算出部９３ｂから入力される信号に基づいて、遊脚完了予測時間と遊脚動作時間、又は遊脚完了予測時間と遊脚完了時間とを比較し、比較結果に基づいて制御部９２に指示信号を出力したり、注意喚起部１０を制御したりする。
【００５４】
注意喚起部１０は、状態判定部９３ｃから入力される指示信号に基づいて、使用者に注意を喚起する。注意喚起部１０は、視覚、聴覚、触覚などによって使用者に注意を喚起することができる構成であれば良い。例えば、注意喚起部１０はスピーカ等を備えており、当該スピーカが状態判定部９３ｃから入力される指示信号に基づいて動作する。注意喚起部１０は、例えば腰装着部８に設けられている。但し、注意喚起部１０からの注意喚起を使用者が認識することができる位置に設けられていれば、設置位置は特に限定されない。
【００５５】
このような構成の歩行支援装置は、図６乃至図９に示すように動作する。但し、以下の説明では、歩行支援装置が装着されている側の腿部が立脚状態から遊脚状態となる場合の動作であって、特に使用者の歩容に基づく動作に関して詳細に説明する。
【００５６】
先ず、角度検出センサ７ａは、使用者の膝の屈曲角度を検出し、検出信号を制御部９２及び歩容判定部９３に出力する（Ｓ１）。同時に、荷重センサ７ｂは、使用者の足裏に作用する荷重を検出し、検出信号を歩行モード判定部９１、制御部９２及び歩容判定部９３に出力する。また、姿勢検出センサ７ｃは、地面に対する使用者の上腿部の角度を検出し、検出信号を歩行モード判定部９１、制御部９２及び歩容判定部９３に出力する。
【００５７】
次に、歩行モード判定部９１は、荷重センサ７ｂ及び姿勢検出センサ７ｃから入力された検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出すると共に、使用者の上腿部の角度を算出する（Ｓ２）。
【００５８】
ここで、本実施の形態では、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が立脚状態から遊脚状態となる場合を前提としているため、Ｓ２の工程では、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が立脚状態であり、その際の使用者の足裏に作用する荷重及び上腿部の角度を算出する。
【００５９】
次に、歩行モード判定部９１は、これらの情報に基づいて、歩行支援装置１が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態かを判定する（Ｓ３）。ここで、上述したように歩行支援装置１が装着されている側の腿部が遊脚状態となることを前提としているので、歩行モード判定部９１は、次回の歩行動作では歩行支援装置１が装着されている側の腿部が遊脚状態となると判定し、次回の歩行動作では駆動モータ６ａを遊脚モードで制御する旨の指示信号を制御部９２に出力する。
【００６０】
次に、制御部９２は、歩行モード判定部９１から駆動モータ６ａを遊脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、少なくとも前回に歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の、使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作で歩行支援装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する（Ｓ４）。そして、制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を歩容判定部９３の予測時間算出部９３ａに出力する。
【００６１】
次に、予測時間算出部９３ａは、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、歩行支援装置１が装着されている側の腿部の足裏が地面に着地する遊脚完了予想時間を算出する（Ｓ５）。そして、予測時間算出部９３ａは、算出した遊脚完了予測時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。
【００６２】
次に、制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等が実現されるように、駆動部６の駆動モータ６ａの制御信号を生成し、当該制御信号を駆動モータ６ａに出力する（Ｓ６）。
【００６３】
駆動モータ６ａは、当該制御信号に基づいて制御される。このとき、角度検出センサ７ａは、使用者の膝の屈曲角度を検出し、検出信号を制御部９２及び歩容判定部９３に出力する（Ｓ７）。同時に、荷重センサ７ｂは、使用者の足裏に作用する荷重を検出し、検出信号を歩行モード判定部９１、制御部９２及び歩容判定部９３に出力する。また、姿勢検出センサ７ｃは、地面に対する使用者の上腿部の角度を検出し、検出信号を歩行モード判定部９１、制御部９２及び歩容判定部９３に出力する。さらに、歩容判定部９３の動作時間算出部９３ｂは、遊脚動作時間又は遊脚完了時間の算出を開始し、遊脚動作時間又は遊脚完了時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。
【００６４】
次に、状態判定部９３ｃは、角度検出センサ７ａ又は荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、歩行動作が完了したか否かを判定する（Ｓ８）。例えば、状態判定部９３ｃは、角度検出センサ７ａから入力される検出信号に基づいて、使用者の膝の屈曲角度を算出して予め設定された第２の閾値と比較し、比較結果が第２の閾値より小さいと、使用者の足裏が着地状態であって、歩行動作が完了していると判定する。または、状態判定部９３ｃは、荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出して予め設定された第３の閾値と比較し、比較結果が第３の閾値より大きいと、使用者の足裏が着地状態であって、歩行動作が完了していると判定する。但し、歩行動作が完了したか否かを判定する手法は、これらに限定されない。
【００６５】
状態判定部９３ｃは、歩行動作が未だに完了していないと判定すると（Ｓ８のＮＯ）、予測時間算出部９３ａ及び動作時間算出部９３ｂから入力される信号に基づいて、遊脚完了予測時間と、遊脚動作時間と、を比較する（Ｓ９）。ここで、状態判定部９３ｃは、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第４の閾値より大きいか否かを判定する。
【００６６】
状態判定部９３ｃは、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第４の閾値以下であると判定すると（Ｓ９のＮＯ）、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する工程（Ｓ６）に戻る。このような判定結果が導かれた場合、未だ正常な歩行動作中であると推定することができるので、駆動モータ６ａの制御を続行する。
【００６７】
一方、状態判定部９３ｃは、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第４の閾値より大きいと判定すると（Ｓ９のＹＥＳ）、使用者に注意を喚起するように、注意喚起部１０に指示信号を出力する（Ｓ１０）。注意喚起部１０は、当該指示信号に基づいて使用者に対して視覚、聴覚、触覚などのいずれかの五感を刺激するように動作する。このような判定結果が導かれた場合、遊脚完了予測時間を超えても、使用者の足裏が着地していない状態であり、何らかの異常が生じている（例えば、使用者が体勢を崩している等の）可能性があるので、使用者に注意を喚起する。これにより、使用者は、歩行動作と歩行支援装置１の支援動作とが同調していないことを簡単に認識することができる。
【００６８】
そして、状態判定部９３ｃは、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に当該駆動モータ６ａから発現されるように、制御部９２に指示信号を出力する。制御部９２は、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力を伸展方向に駆動モータ６ａが発現するように、駆動モータ６ａの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する（Ｓ１１）。
【００６９】
つまり、歩行動作が未だに完了しておらず遊脚完了時間が未確定であって、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第４の閾値より大きいと、上述したように何らかの異常が生じている可能性が極めて高い。このとき、断続的に駆動モータ６ａが使用者の膝を伸展させるように動作している可能性があり、例えば体勢を崩した使用者が膝を曲げようとしても、駆動モータ６ａの駆動力によって阻害される可能性がある。
【００７０】
そこで、制御部９２は、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現されるように、駆動モータ６ａを制御する。これにより、膝屈曲方向に回転角速度が発生すると、その回転角速度に応じて膝伸展方向にトルクが発生する。そのため、使用者はゆっくりと膝を曲げると、駆動モータ６ａの駆動力による抵抗を略感じることが無い。よって、使用者は不測の事態が生じた際に容易に膝を曲げることができる。
【００７１】
ちなみに、図１０（ａ）のグラフは、駆動モータ６ａの駆動軸の回転方向がマイナス方向に行くに従って、使用者の膝が屈曲した状態となる。
【００７２】
なお、本実施の形態では、図１０（ａ）に示すように、駆動モータ６ａの駆動軸が０rad/sから所定の角速度まで不感帯とし、駆動モータ６ａの駆動力が発現されない。そのため、使用者はより容易に膝を伸展した状態から屈曲させることができる。
【００７３】
状態判定部９３ｃは、歩行動作が完了していると判定すると（Ｓ８のＹＥＳ）、歩行動作が完了した旨の信号を動作時間算出部９３ｂに出力する。動作時間算出部９３ｂは、当該信号に基づいて、遊脚完了時間を確定させる（Ｓ１２）。
【００７４】
次に、状態判定部９３ｃは、確定した遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差の絶対値が第５の閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ１３）。状態判定部９３ｃは、確定した遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差の絶対値が第５の閾値より小さいと判定すると（Ｓ１３のＮＯ）、今回の歩行動作を完了させて次回の歩行動作に移行させる。このような判定結果が導かれた場合は、正常に歩行動作が完了したと推定することができるので、遊脚動作が完了した旨の信号を制御部９２に出力する。
【００７５】
一方、状態判定部９３ｃは、確定した遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差の絶対値が第５の閾値より大きいと判定すると（Ｓ１３のＹＥＳ）、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が０より大きいか否かを判定する（Ｓ１４）。状態判定部９３ｃは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が０以下であると判定すると（Ｓ１４のＮＯ）、使用者の膝が伸展するように制御部９２に指示信号を出力する。制御部９２は、当該指示信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する（Ｓ１５）。このような判定結果が導かれた場合は、使用者の膝が屈曲した状態で足裏が着地したと推定することができるので、使用者の膝が伸展するように駆動モータ６ａを制御する。
【００７６】
具体的には、使用者の膝が伸展するように駆動モータ６ａを制御するＳ１５の工程は、図９に示す流れで実行される。
先ず、制御部９２は、当該指令信号が入力されると、使用者の膝が伸展するように第１のリンク２に対する第２のリンク３の目標回転角度を設定する（Ｓ１５１）。すなわち、制御部９２は、当該指令信号が入力されると、例えば予め設定されている第１のリンク２に対する第２のリンク３の目標回転角度を読み出し、この目標回転角度を設定する。
【００７７】
次に、制御部９２は、角度検出センサ７ａの検出信号に基づいて、現在の第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度を算出する（Ｓ１５２）。
【００７８】
次に、制御部９２は、現在の第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度と、設定した第１のリンク２に対する第２のリンク３の目標回転角度と、に基づいて駆動モータ６ａの制御信号を生成し（Ｓ１５３）、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する（Ｓ１５４）。
【００７９】
その後、図８の流れに戻って、状態判定部９３ｃは、角度検出センサ７ａの検出信号に基づいて、目標回転角度から現在の第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度を引いた値が第６の閾値より小さいか否かを判定する（Ｓ１６）。状態判定部９３ｃは、目標回転角度から現在の第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度を引いた値が第６の閾値より小さいと判定すると（Ｓ１６のＹＥＳ）、遊脚動作が完了した旨の信号を制御部９２に出力する。
【００８０】
このように、本来使用者の膝が伸展する前に足裏が着地してしまっても、使用者の膝を伸展するように駆動力が発現されるので、使用者の歩行が不安定になることを防ぐことができる。
【００８１】
一方、状態判定部９３ｃは、目標回転角度から現在の第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度を引いた値が第６の閾値以上であると判定すると（Ｓ１６のＮＯ）、遊脚完了予測時間から遊脚完了時間を引いた値が第７の閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ１７）。
【００８２】
状態判定部９３ｃは、遊脚完了予測時間から遊脚完了時間を引いた値が第７の閾値以下であると（Ｓ１７のＮＯ）、使用者の膝を伸展するように駆動モータ６ａを制御する工程（Ｓ１５）に戻る。このような判定結果が導かれた場合は、若干早く使用者の足裏が着地した状態であって、まだ膝の伸展制御が足りない状態であると推定できるので、使用者の膝が伸展するように駆動モータ６ａを制御し続ける。
【００８３】
一方、状態判定部９３ｃは、遊脚完了予測時間から遊脚完了時間を引いた値が第７の閾値より大きいと（Ｓ１７のＹＥＳ）、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力を伸展方向に当該駆動モータ６ａが発現するように、制御部９２に指示信号を出力する。制御部９２は、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に当該駆動モータ６ａから発現されるように、駆動モータ６ａの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する（Ｓ１８）。このような判定結果が導かれた場合は、遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差が大きく、取り敢えず使用者の足裏が着地しただけで、何らかの異常が生じていると推定することができる。この場合、駆動モータ６ａは使用者の膝を伸展するように動作し続けるので、使用者の膝が固定されてしまっている可能性がある。そこで、制御部９２は、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現されるように、駆動モータ６ａを制御する。これにより、使用者は、駆動モータ６ａの駆動力による抵抗を略感じることなく、容易に膝を曲げることができる。
【００８４】
状態判定部９３ｃは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が０より大きいと判定すると（Ｓ１４のＹＥＳ）、使用者に注意を喚起するように、注意喚起部１０に指示信号を出力する（Ｓ１９）。注意喚起部１０は、当該指示信号に基づいて使用者に対して視覚、聴覚、触覚などのいずれかの五感を刺激するように動作する。このような判定結果が導かれた場合は、取り敢えず使用者の足裏が着地しただけで、何らかの異常が生じている可能性があるので、使用者に注意を喚起する。これにより、使用者は、歩行動作と歩行支援装置１の支援動作とが同調していないことを簡単に認識することができる。
【００８５】
さらに状態判定部９３ｃは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第８の閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ２０）。状態判定部９３ｃは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第８の閾値以下であると判定すると（Ｓ２０のＮＯ）、今回の歩行動作を完了させて次回の歩行動作へ移行させる。このような判定結果が導かれた場合は、遊脚完了時間に時間が掛ったものの使用者の膝が伸展した状態で足裏が地面に着地したと推定できるので、遊脚動作が完了した旨の信号を制御部９２に出力する。
【００８６】
一方、状態判定部９３ｃは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第８の閾値より大きいと判定すると（Ｓ２０のＹＥＳ）、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力を伸展方向に当該駆動モータ６ａが発現するように、制御部９２に指示信号を出力する。制御部９２は、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に当該駆動モータ６ａが発現するように、駆動モータ６ａの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する（Ｓ２１）。このような判定結果が導かれた場合は、遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差が大きく、取り敢えず使用者の足裏が着地しただけで、何らかの異常が生じていると推定することができる。この場合、駆動モータ６ａは使用者の膝を伸展するように動作し続けるので、使用者の膝が固定されてしまっている可能性がある。そこで、制御部９２は、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現されるように、駆動モータ６ａを制御する。これにより、使用者は、駆動モータ６ａの駆動力による抵抗を略感じることなく、膝を曲げることができる。
【００８７】
本実施の形態の歩行支援装置及びその制御方法は、遊脚動作時間、遊脚完了時間及び遊脚完了予測時間に基づいて使用者の歩容を判定する。そして、判定結果に基づいて、駆動モータを制御する。そのため、使用者の歩容が乱れても、使用者の歩容を安定させたり、歩容を適切に復帰させたりすることができる。
【００８８】
しかも、前回の歩行動作時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等を予測的に算出する。そのため、常に使用者の歩行状態を反映させた歩行支援を行うことができる。
【００８９】
以上、本発明に係る歩行支援装置及びその制御方法の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態では、駆動モータ６ａの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように当該駆動モータ６ａを駆動させることで、使用者の膝の伸展状態が固定されないように制御しているが、この限りでない。すなわち、図１１に示すように、例えば第１のリンク２が伸展状態に近づくに従って、反発力が増加する弾性体１３を備えた構成とし、使用者の膝の伸展状態が固定されない構成としても良い。このような構成により、簡単に使用者の膝の伸展状態が固定されない構成を実現することができる。例えば、第２のリンク３の上端部に固定冶具を設け、当該固定冶具と第１のリンク２との間に弾性体１３を配置することで、膝が伸展状態に近づくに従って、第１のリンク２に反発力を作用させることができる。勿論、弾性体１３の設置方法は、これに限定されない。
【００９０】
例えば、上記実施の形態では、膝伸展制御時に使用者に注意喚起を行っていないが、膝伸展制御時にも使用者に注意喚起を行うことが好ましい。
例えば、上記実施の形態では、ハードウェア資源を用いて制御方法を実行しているが、ソフトウェア資源を用いて制御方法を実行しても良い。
【符号の説明】
【００９１】
１  歩行支援装置
２  第１のりンク
３  第２のリンク
４  足裏載置部、４ａ  載置部、４ｂ  アーム
５  膝装着部、５ａ  アーチ
６  駆動部、６ａ  駆動モータ、６ｂ  減速機
７  検出部、７ａ  角度検出センサ、７ｂ  荷重センサ、７ｃ  姿勢検出センサ
８  腰装着部、８ａ  ベルト、８ｂ  収納ボックス
９  処理部
９１  歩行モード判定部
９２  制御部
９３  歩容判定部、９３ａ  予測時間算出部、９３ｂ  動作時間算出部、９３ｃ  状態判定部
１０  注意喚起部
１１  上腿保持部
１２  配線
１３  弾性体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005741372.tif 000006
【図６】
0005741372.tif 000007
【図７】
0005741372.tif 000008
【図８】
0005741372.tif 000009
【図９】
0005741372.tif 000010
【図１０】
0005741372.tif 000011
【図１１】
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